Значение слесарных работ в обучении школьников трудовым навыкам (стр. 5 )

Приведем достаточно краткие сведения об основных положениях из области современного металловедения, которыми обязан владеть учитель Технологии и как следствие его ученики.

Из всех известных в настоящее время элементов более половины являются металлами. Металлы – это непрозрачные вещества, обладающие специфическим металлическим блеском, пластичность, высокой теплопроводностью и электропроводностью. Поэтому признаку металлы легко отличить от других веществ (дерево, стекло и т. д.).

Все металлы и образованные из них сплавы делят на черные и цветные. К черным металлам относят железо и сплавы на его основе. На их долю приходится около 90% производимой в мире металлопродукции. Цветные металлы и их сплавы выплавляются на основе таких цветных металлов как медь, алюминий, магний, титан и другие. В технике принята условная классификация, по которой металлы делятся на группы: легкие (например, Al, Mg), тяжелые (Cu, Pb и др.), тугоплавкие (W, Mo и др.), благородные (Au, Pt), рассеянные (Gd, In, Tl), редкоземельные (Sc, Y), радиоактивные (Ra, U и др.), черные (чугуны и стали) [10].

Понятие «чистый металл» весьма условно. Любой чистый металл содержит примеси, а поэтому его следует рассматривать как сплав. Под термином «чистый металл» понимается металл, содержащий 0,01 – 0,001% примесей. Современная металлургия позволяет получать металлы очень высокой чистоты (99,9999%). Однако примеси даже в малых количествах могут оказывать существенное влияние на свойства металла.

Чистые металлы обладают низкой прочностью и не обеспечивают требуемых механических, физико-химических и технологических свойств. Поэтому их применение в технике в качестве конструкционных материалов ограничено. Наиболее широко применяют сплавы, которые обладают по сравнению с чистыми металлами наиболее высокой прочностью и твердостью.

Правильное закономерное расположение атомов металлов в пространстве характеризует их кристаллическое состояние. Характер взаимодействия атомов в твердом теле определяется строением их внешних электронных оболочек.

Кристаллизация металлов и сплавов осуществляется по принципу зарождения зародышей в жидкой форме и их роста, по мере охлаждения расплава. Вначале во многих участках жидкого сплава образуются кристаллические зародыши. Пока их окружает жидкость, кристаллы растут свободно и могут иметь правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов правильная их форма нарушается, так как на контактируемых участках рост граней прекращается. Кристалл растет лишь в том направлении, где он соприкасается с жидкостью. В результате растущие кристаллы, имеющие сначала геометрически правильную форму, но после затвердевания получают неправильную внешнюю огранку. Такие кристаллы называются зернами или кристаллитами.

Замечательными свойствами металлов являются прочность, пластичность, блеск и ряд физических свойств. Особенно ярко проявляются у металлов и их сплавов свойства, которые принято называть механическими.

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин). В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформации, при которых происходят изменения физического и механического состояния материала. Именно по критериям механических свойств металла и определяют его назначение при проектировании деталей для проектного изделия. 

В практике слесарных технологий находят широкое применение самые различные по составу сплавы, но особенно широко применяются железоуглеродистые стали. Эти материалы обладают высокой технологичностью и прочностью. Детали и различные изделия из них являются неотемлимой частью тех видов слесарных работ, которые реализуются в ученическом техническом творчестве в учебных мастерских и прежде всего в средней школе.

Углеродистые конструкционные стали делят на стали обыкновенного качества и качественные стали. По составу углерода они подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтекоидные.

В зависимости от условий и степени раскисления различают спокойные (сп), кипящие (кп) и полуспокойные (пс) стали. 

Спокойные стали получают полным раскислением металла в печи, а затем в ковше. Содержание закиси железа в этих сталях, минимальное, что обеспечивает «спокойное» застывания металла в изложнице. Застывание происходит с уменьшением объема. В верхней части слитка образуются усадочная раковина и околоусадочная рыхлость, удаляемые отрезкой или отрубкой при прокатке.

Кипящие стали полностью нераскилены (без ферросилиция). Поэтому они до затвердевания содержат повышенное количество FeO. При застывании в изложнице закись железа FeO реагирует с углеродом металла, при этом образуется СО. Выделение пузырьков СО создает впечатление кипения металла. В слитке кипящей стали сохраняется большое количество газовых пузырей, вследствие чего практически отсутствует усадочная раковина. Если пузырьки имеют чистые неокисленные стенки, то при горячей прокатке они завариваются. Кипящие стали более дешевые, так как отходы при их производстве минимальные. По сравнению со спокойной и полуспокойной сталями они больше склонны к старению и хладноломкости и хуже свариваются. Но вместе с тем кипящие стали обладают высокой пластичностью и хорошо принимают вытяжку в холодном состоянии.

Полуспокойные стали представляют собой стали промежуточного типа. Они получают все более широкое применение.

Углеродистые стали обыкновенного качества более дешевые, чем качественные. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей и содержат больше серы и фосфора. Кроме того, их отливают в крупные слитки, вследствие чего в них значительно развита ликвидация и они нередко содержат большое количество неметаллических включений.

Из них изготавливают детали менее ответственного назначения, главным образом горячекатаный рядовой прокат: балки, прутки, швеллеры, уголки, а также листы, трубы и поковки, работающие при относительно невысоких напряжениях. Их широко применяют для строительных, сварных, клепальных и болтовых конструкций (балки, фермы конструкций подъемных кранов, корпусы сосудов и аппаратов, каркасы пороговых котлов, драги и т. д.), а также для малоответсвенных деталей машин (оси, валы, шестерни, пальцы траков, втулки, валики, болты, гайки и т. д.), не подвергающихся термической обработки или находящихся в термически обработанном состоянии. Из сталей обыкновенного качества можно указать такие марки: Ст0, Ст1, Ст3….Ст6. Прочность этих сталей не превышает 200-250МПа. Стали углеродистые качественные более прочные и находят применение для ответственных деталей и конструкций. В качестве примера покажем их марки и применение.

Стали 08, 10, 15, 20, имеющие относительно небольшую прочность в нормализованном состоянии (ув=330ч420МПа и у0,2=200-250МПа), высокую пластичность (д=33ч25% и ш=60ч55%) и хорошую свариваемость, применяют для сравнительно малонагружаемых деталей, изготовление которых связано со сваркой, штамповкой и другими аналогичными и технологическими операциями.

Чем больше в стали углерода, тем хуже ее штампуемость. Кремний, сильно повышая предел текучести стали, снижает ее штампуемость, особенно способность принимать вытяжку. Поэтому для холодной штамповки, особенно для вытяжки, более широко используют холоднокатаную листовую сталь 08кп, 08пс, 08Ю, 08Ф. Стали 10, 15 и реже 20 применяют и для цементуемых мелких изделий, работающих на износ при малых удельных нагрузках.

Стали 25, 30, 40, 45, 50 имеют более высокие характеристики прочности (ув=460-600МПа и у0,2=280ч380МПа) при пониженной пластичности (д=23ч14%, ш=50ч40%). Однако они лучше обрабатываются резанием, и при этом поверхность получается более чистой.

Сталь 25 применяют для мелких деталей, не испытывающих в работе больших напряжений, а стали 30 и 35 для деталей, испытывающих умеренные напряжения. Стали 40 и 45, 55и 60 используют для деталей повышенной прочности (ув=660ч730МПа и у0,2=390ч430МПа, д=13ч9%, ш=35ч30%) для таких деталей, как шестерни, бандажи, ленточные пружины, пружинные кольца, прокатные валки т. д.

Стали 40, 45 и 50 широко применяют в машиностроении для изготовления мелких деталей, упрочняемых закалкой с последующим высоким отпуском при 5500С. После улучшения сталь 45 в заготовках диаметром 10 мм имеет: ув=800МПа и у0,2=650МПа, д=16%, ш=50% и ан=10кгс. м/см2. Прокаливаемость этих сталей не превышает 10 – 12 мм.

Стали 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 применяют также в виде калиброванных холоднотянутых прутков или проволоки точных размеров. В результате наклепа повышается прочность (при снижении пластичности). Наибольшее упрочнение достигается в тонких сечениях (проволока, тонкие листы и т. д.). Использование калиброванной холоднотянутой стали во многих случаях позволяет устранить трудоемкие операции механической обработки (обточку на токарных станках, осей, болтов и т. д.).

Все промышленные детали прежде всего чугуны и стали получают плавлением из рудного сырья. Для черных металлов это двухстадийные процесс. Первоначально восстановительной плавкой в доменных агрегатах получают чугун, а затем из него окислительной плавкой сталь в различных сталеплавительных установках. Сталь и чугун обладают свойством изменять механические свойства в широких пределах, особенно сталь. Сталь можно сделать термической обработкой или вязко-пластичной и мягкой или путем закалки и отпуска твердой и прочной. В начале слесарных работ заготовки должны быть пластичными, чтобы их легче можно было обрабатывать. Для этой цели стальные заготовки подвергают отжиму или нормализации. Когда изделие (деталь) уже обработаны ей необходимо предать требуемые показатели прочности и твердости. Для этой цели детали подвергают различным режимам закалки.

Чаще всего применяют закалку с высоким отпуском для обеспечения изделию прежде высокой прочности и ударной вязкости. Если детали нужно придать высокую твердость, например для инструментов (чертилка, зубило, кернер), то в этом случае осуществляют закалку с низким отпуском. Для деталей, работающих в режиме упругого нагружения, например пружина, то упругие свойства стали обеспечивает изотермическая закалка. Фазовые превращения в стали при термической обработке связаны с природной способностью ее решеток в процессе нагрева и охлаждения видоизменять тип и структуру решетки.